🕹️ 控制你的机器人

现在我们已经加载了一个机器人，让我们通过一个完整的示例来展示你可以通过各种方式控制你的机器人。

像往常一样，让我们导入 Genesis，创建一个场景，并加载一个 Franka 机器人：

import numpy as np
import genesis as gs

########################## init ##########################
gs.init(backend=gs.gpu)

########################## create a scene ##########################
scene = gs.Scene(
    sim_options = gs.options.SimOptions(
        dt = 0.01,
    ),
    viewer_options = gs.options.ViewerOptions(
        camera_pos    = (0, -3.5, 2.5),
        camera_lookat = (0.0, 0.0, 0.5),
        camera_fov    = 30,
        max_FPS       = 60,
    ),
    show_viewer = True,
)

########################## entities ##########################
plane = scene.add_entity(
    gs.morphs.Plane(),
)

# 加载实体时，你可以在 morph 中指定其姿态
franka = scene.add_entity(
    gs.morphs.MJCF(
        file  = 'xml/franka_emika_panda/panda.xml',
        pos   = (1.0, 1.0, 0.0),
        euler = (0, 0, 0),
    ),
)

########################## build ##########################
scene.build()

如果我们不给它任何驱动力，这个机器人手臂会因重力而下落。Genesis 内置了一个 PD 控制器（比例-积分-微分控制器），它以目标关节位置或速度作为输入。你也可以直接设置施加到每个关节的扭矩/力。

在机器人仿真领域，joint（关节）和 dof（自由度）是两个相关但不同的概念。由于我们处理的是 Franka 手臂，它有 7 个旋转关节在手臂上，2 个平移关节在夹爪上，所有关节都只有 1 个自由度，形成一个 9 自由度的关节体。在更一般的情况下，会有自由关节（6 自由度）或球关节（3 自由度）等具有多个自由度的关节类型。一般来说，你可以将每个自由度视为一个电机，可以独立控制。

为了知道要控制哪个关节（自由度），我们需要将我们在 URDF/MJCF 文件中定义的关节名称映射到仿真器内部的实际自由度索引：

jnt_names = [
    'joint1',
    'joint2',
    'joint3',
    'joint4',
    'joint5',
    'joint6',
    'joint7',
    'finger_joint1',
    'finger_joint2',
]
dofs_idx = [franka.get_joint(name).dof_idx_local for name in jnt_names]

注意这里我们使用 .dof_idx_local 来获取相对于机器人实体本身的自由度的局部索引。你也可以使用 joint.dof_idx 来访问每个关节在场景中的全局自由度索引。

接下来，我们可以为每个自由度设置控制增益。这些增益决定了给定目标关节位置或速度时实际控制力的大小。通常，这些信息会从导入的 MJCF 或 URDF 文件中解析，但建议手动调整或参考网上调试良好的值。

############ Optional: set control gains ############
# 设置位置增益
franka.set_dofs_kp(
    kp             = np.array([4500, 4500, 3500, 3500, 2000, 2000, 2000, 100, 100]),
    dofs_idx_local = dofs_idx,
)
# 设置速度增益
franka.set_dofs_kv(
    kv             = np.array([450, 450, 350, 350, 200, 200, 200, 10, 10]),
    dofs_idx_local = dofs_idx,
)
# 为安全设置力的范围
franka.set_dofs_force_range(
    lower          = np.array([-87, -87, -87, -87, -12, -12, -12, -100, -100]),
    upper          = np.array([ 87,  87,  87,  87,  12,  12,  12,  100,  100]),
    dofs_idx_local = dofs_idx,
)

注意这些 API 通常接受两组输入：要设置的实际值和相应的自由度索引。大多数与控制相关的 API 都遵循此约定。

接下来，让我们先看看如何手动设置机器人的配置，而不是使用物理真实的 PD 控制器。这些 API 可以突然改变机器人状态而不遵守物理规律：

# 硬重置
for i in range(150):
    if i < 50:
        franka.set_dofs_position(np.array([1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0.04]), dofs_idx)
    elif i < 100:
        franka.set_dofs_position(np.array([-1, 0.8, 1, -2, 1, 0.5, -0.5, 0.04, 0.04]), dofs_idx)
    else:
        franka.set_dofs_position(np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]), dofs_idx)

    scene.step()

如果你打开了查看器，你会看到机器人每 50 步改变一次状态。

接下来，让我们尝试使用内置的 PD 控制器来控制机器人。Genesis 中的 API 设计遵循结构化模式。我们使用 set_dofs_position 来硬设置自由度位置。现在我们将 set_* 更改为 control_* 以使用控制器对应的 API。这里我们演示控制机器人的不同方式：

# PD 控制
for i in range(1250):
    if i == 0:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0.04]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 250:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([-1, 0.8, 1, -2, 1, 0.5, -0.5, 0.04, 0.04]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 500:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 750:
        # 用速度控制第一个自由度，其余的用位置控制
        franka.control_dofs_position(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])[1:],
            dofs_idx[1:],
        )
        franka.control_dofs_velocity(
            np.array([1.0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])[:1],
            dofs_idx[:1],
        )
    elif i == 1000:
        franka.control_dofs_force(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]),
            dofs_idx,
        )
    # 这是基于给定控制命令计算的控制力
    # 如果使用力控制，它与给定的控制命令相同
    print('control force:', franka.get_dofs_control_force(dofs_idx))

    # 这是自由度实际受到的力
    print('internal force:', franka.get_dofs_force(dofs_idx))

    scene.step()

让我们深入了解一下：

• 从第 0 步到 500，我们使用位置控制来控制所有自由度，并按顺序将机器人移动到 3 个目标位置。注意，对于 control_* API，一旦设置了目标值，只要目标保持不变，你就不需要向仿真器在后续步骤中发送重复命令，它会内部存储。

• 在第 750 步，我们演示了可以对不同的自由度进行混合控制：对于第一个自由度（dof 0），我们发送速度命令，而其余的仍然遵循位置控制命令

• 在第 1000 步，我们切换到扭矩（力）控制并向所有自由度发送零力命令，机器人将再次落到地板上。

在每一步结束时，我们打印两种类型的力：get_dofs_control_force() 和 get_dofs_force()。

• get_dofs_control_force() 返回控制器施加的力。在位置或速度控制的情况下，这是使用目标命令和控制增益计算的。在力（扭矩）控制的情况下，这与输入的控制命令相同

• get_dofs_force() 返回每个自由度实际受到的力，这是控制器施加的力与其他内部力（如碰撞力和科里奥利力）的组合。

如果一切正常，这就是你应该看到的：

以下是涵盖上述所有内容的完整代码脚本：

import numpy as np

import genesis as gs

########################## init ##########################
gs.init(backend=gs.gpu)

########################## create a scene ##########################
scene = gs.Scene(
    viewer_options = gs.options.ViewerOptions(
        camera_pos    = (0, -3.5, 2.5),
        camera_lookat = (0.0, 0.0, 0.5),
        camera_fov    = 30,
        res           = (960, 640),
        max_FPS       = 60,
    ),
    sim_options = gs.options.SimOptions(
        dt = 0.01,
    ),
    show_viewer = True,
)

########################## entities ##########################
plane = scene.add_entity(
    gs.morphs.Plane(),
)
franka = scene.add_entity(
    gs.morphs.MJCF(
        file  = 'xml/franka_emika_panda/panda.xml',
    ),
)
########################## build ##########################
scene.build()

jnt_names = [
    'joint1',
    'joint2',
    'joint3',
    'joint4',
    'joint5',
    'joint6',
    'joint7',
    'finger_joint1',
    'finger_joint2',
]
dofs_idx = [franka.get_joint(name).dof_idx_local for name in jnt_names]

############ Optional: set control gains ############
# 设置位置增益
franka.set_dofs_kp(
    np.array([4500, 4500, 3500, 3500, 2000, 2000, 2000, 100, 100]),
)
# 设置速度增益
franka.set_dofs_kv(
    np.array([450, 450, 350, 350, 200, 200, 200, 10, 10]),
)
# 为安全设置力的范围
franka.set_dofs_force_range(
    np.array([-87, -87, -87, -87, -12, -12, -12, -100, -100]),
    np.array([ 87,  87,  87,  87,  12,  12,  12,  100,  100]),
)
# 硬重置
for i in range(150):
    if i < 50:
        franka.set_dofs_position(np.array([1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0.04]), dofs_idx)
    elif i < 100:
        franka.set_dofs_position(np.array([-1, 0.8, 1, -2, 1, 0.5, -0.5, 0.04, 0.04]), dofs_idx)
    else:
        franka.set_dofs_position(np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]), dofs_idx)

    scene.step()

# PD 控制
for i in range(1250):
    if i == 0:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0.04, 0.04]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 250:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([-1, 0.8, 1, -2, 1, 0.5, -0.5, 0.04, 0.04]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 500:
        franka.control_dofs_position(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]),
            dofs_idx,
        )
    elif i == 750:
        # 用速度控制第一个自由度，其余的用位置控制
        franka.control_dofs_position(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])[1:],
            dofs_idx[1:],
        )
        franka.control_dofs_velocity(
            np.array([1.0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])[:1],
            dofs_idx[:1],
        )
    elif i == 1000:
        franka.control_dofs_force(
            np.array([0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]),
            dofs_idx,
        )
    # 这是基于给定控制命令计算的控制力
    # 如果使用力控制，它与给定的控制命令相同
    print('control force:', franka.get_dofs_control_force(dofs_idx))

    # 这是自由度实际受到的力
    print('internal force:', franka.get_dofs_force(dofs_idx))

    scene.step()

使用吸盘进行拾取和放置

在许多工业环境中，机器人使用吸盘抓取物体，其行为类似于”即时”刚性抓取。在 Genesis 中，你可以通过暂时将两个刚体焊接在一起来重现相同的行为。

场景中的rigid solver（刚体求解器）通过 add_weld_constraint() 和 delete_weld_constraint() 让你直接访问此功能。该 API 接受两个 numpy 数组，列出要连接/分离的连杆索引。

下面是一个最小示例，将 Franka 末端执行器移动到一个小立方体上方，将两个主体焊接在一起（模仿吸附），将立方体运送到另一个姿态，最后再次释放它。

import numpy as np
import genesis as gs

# --- （场景和机器人创建省略，与上面的部分相同） ---

# 向场景添加一个立方体实体
cube = scene.add_entity(
    gs.morphs.Box(
        size = (0.08, 0.08, 0.08),
        pos  = (0.65, 0.0, 0.13),
    )
)

# 获取一些常用的句柄
rigid        = scene.sim.rigid_solver   # 底层刚体求解器
end_effector = franka.get_link("hand")  # Franka 夹爪坐标系
cube_link    = cube.base_link           # 我们想要拾取的连杆

################ 到达预抓取姿态 ################
q_pregrasp = franka.inverse_kinematics(
    link = end_effector,
    pos  = np.array([0.65, 0.0, 0.13]),  # 刚好在立方体上方
    quat = np.array([0, 1, 0, 0]),       # 朝下的方向
)
franka.control_dofs_position(q_pregrasp[:-2], np.arange(7))  # 仅手臂关节
for _ in range(50):
    scene.step()

################ 连接（激活吸附） ################
link_cube   = np.array([cube_link.idx],    dtype=gs.np_int)
link_franka = np.array([end_effector.idx], dtype=gs.np_int)
rigid.add_weld_constraint(link_cube, link_franka)

################ 抬起和运输 ################
q_lift = franka.inverse_kinematics(
    link = end_effector,
    pos  = np.array([0.65, 0.0, 0.28]),  # 抬起
    quat = np.array([0, 1, 0, 0]),
)
franka.control_dofs_position(q_lift[:-2], np.arange(7))
for _ in range(50):
    scene.step()

q_place = franka.inverse_kinematics(
    link = end_effector,
    pos  = np.array([0.4, 0.2, 0.18]),  # 目标放置姿态
    quat = np.array([0, 1, 0, 0]),
)
franka.control_dofs_position(q_place[:-2], np.arange(7))
for _ in range(100):
    scene.step()

################ 分离（释放吸附） ################
rigid.delete_weld_constraint(link_cube, link_franka)
for _ in range(400):
    scene.step()

几点说明：

1. 吸盘被建模为理想的焊接——不强制执行顺应性或力限制。如果你需要更物理真实的行为，你可以改为创建 gs.constraints.DampedSpring 或控制夹爪手指。

2. 连杆索引是场景全局的，因此我们将它们包装在单元素 numpy 数组中以满足 API 约定。

3. 你可以通过传递包含多个索引的数组来一次附加或分离多个对象。

只需两行代码，你现在就可以使用吸盘拾取和放置任意对象！请随意将此代码片段集成到你自己的控制流程中。